redes profibus

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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 07

Família de Protocolos Profibus

1. O Profibus nasceu de uma associação, em 1987, de 21 companhias, na Alemanha, para o desenvolvimento de um barramento de campo digital.

2. Desde 1989, uma fundação denominada PNO, promove a disseminação e controle deste protocolo aberto. Em 1995 foi fundada a ProfibusInternational englobando 22 entidades espalhadas pelo mundo.

3. O Profibus é apresentado como uma solução completa (comunicação e gerenciamento) para interligar os dispositivos existentes nos níveis intermediários e superior em um sistema de automação.

4. Estes níveis são representados na figura como FieldLevel e CellLevel.

5. A figura também efetua uma divisão por tipo no nível de barramento de campo: Manufacturing e Process. A divisão é justificada pela diferença de dados a serem informados pelos dispositivos.

4. Na figura o símbolo “Ex” representa que o Profibus é adequado para uso em Áreas classificadas, também chamada de áreas com atmosferas explosivas. Estas são ambientes onde há possibilidade de explosões devido a possibilidade de presença de gases inflamáveis e fontes de ignição.

5. O Profibus DP apresenta dispositivos gateways para redes dos níveis inferiores, como o AS-I.

6. Tendo a Siemens, um dos maiores fornecedores de equipamento de automação do mundo, como um dos principais usuários e patrocinadores, o Profibus tem cerca de 20% do mercado da Europa

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Família de Protocolos Profibus

ProfiNet (Profibus for Ethernet)Comunicação entre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP

Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)Comunicação entre CLPs e PCs.

Profibus DP (Decentralized Peripherals)Comunicação com drives, dispositivos E/S, transdutores, analisadores e etc.

Profibus PA (Process Automation)Comunicação com transmissores de pressão, nível, vazão e temperatura e válvulas de controle.

AS-I (Actuator Sensor Interface)Sensores e Atuadores ON-OFF

1. Para a interligação entre CLPs e PCs é apresentado o protocolo Profinet, utilizando Ethernet como meio físico e os protocolos TCP/IPpara transporte.

2. Para a interligação de CLPs e PCs é apresentado o protocolo ProfibusFMS.

3. Para interligação de CLPs e dispositivos de entrada e saída em geral é apresentado o Profibus DP, utilizando como meio físico cabo par trançado com RS-485 ou fibra ótica.

4. Para a interligação de instrumentos de processo foi apresentado uma variação do Profibus DP, o Profibus PA, usando o padrão MBP ou IEC-1158-2 como meio físico, adequando o nível de potência dos sinais elétricos para permitir a sua instalação em áreas classificadas.

5. Para sensores e atuadores ON-OFF são disponibilizados “gateways” entre o Profibus-DP e o protocolo AS-I.

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Camada Física no Profibus

Padrão RS-485Cabo par trançado com malha.Taxas de 9600bps a 12Mbps.Topologia física em barra com terminadores.Segmentos com até 32 dispositivos.Com 4 repetidores até 126 dispositivos.

Padrão MBP(M): Manchester Coding, (BP): Bus PoweringCabo par trançado com malha.Transmissão síncrona com taxa de 31,25 kbps.Topologia física em barra e/ouárvore.Segmentos com até 32 dispositivos.Com 4 repetidores até 126 dispositivos.Intrinsecamente seguro.

1. O meio físico mais comum no Profibus é o baseado no padrão RS-485usando um simples cabo par trançado com uma malha de blindagem.

2. A taxa de transmissão é tão maior quanto for menor o comprimento da rede. Para 1200 metros é possível alcançar 9,6 kbps. Com redes de 100 metros é possível chegar aos 12 Mbps.

3. Conectores DB9 podem ser usados para níveis de proteção IP20. Para IP65 ou IP66 são necessários conectores circulares.

4. As redes Profibus PA usam o padrão MBP, pois devem manipular sinais com nível de potência limitado devido ao seu uso em áreasclassificadas.

5. O padrão MBP é uma das tecnologias apresentadas na norma IEC 61158-2 para meios de transmissão intrinsecamente seguros. A modulação binária é efetuada em termos de variações de corrente sobre um valor base.

6. O número de elementos de uma rede no padrão MBP depende da distância entre os dispositivos, pois para manter os níveis de energia em valores seguros são levados em consideração a corrente geradapelos dispositivos e a impedância dos cabos de comunicação.

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Camada Física no Profibus

Fibra ÓticaUsado em ambientes com alta interferência ou necessidades de vencer grandes distâncias ou ainda para redundância.Topologia física em barra, anel ou árvore.Tipos de Fibra:

Monomodo: >15 kmMultimodo: 2 a 3 kmPlástico: < 80mHCS: 500m

Usada com acopladores óticos (OLM) para a conversão para o padrão RS-485.

1. O uso do padrão RS-485 e fibra ótica em um mesmo segmento de rede é possível com o uso de Optical Link Modules (OLM).

2. O uso de fibra ótica é recomendado em diversas situações:

• Para interligar áreas distantes entre si, sem reduzir o baudratecomo aconteceria com o RS-485.

• Para interligar áreas onde não seja possível garantir a equipotencialidade dos aterramentos.

• Para conseguir isolação e imunidade ao ruído eletromagnético.

• Para conseguir proteção contra tranbsientes e descargas atmosféricas, principalmente em redes que passam por áreas abertas.

3. Com meio físico ótico é possível o uso de repetidores óticos ligados em forma de anel, provendo uma tolerância a falha adicional.

4. Neste caso são usados dois canais óticos e um dos repetidores deve ser configurado como gerenciador do anel, abrindo e fechando o anel a partir de testes cíclicos de integridade das fibras.

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Redundância com Profibus DP

Nó 1 Nó 2

Nó 3 Nó 4 Nó 7 Nó 8

Nó 5 Nó 6

RS-485Fibra Ótica

Repetidor Ótico

RS-485

RS-485

RS-485

Falta

1. A figura mostra 4 segmentos de rede Profibus DP usando meio físico RS-485 interligada por um anel ótico.

2. São usados repetidores duplos, isto é, com uma porta RS-485 e duas portas óticas. Cada porta com duas fibras (TX e RX).

3. Um dos repetidores deve ser configurado como gerenciador. No caso de uma falta de integridade em um das fibras o fluxo de dados deve ser redirecionado no trecho atingido.

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Controle de Acesso ao Meio no Profibus

Dispositivos mestres classe 1 e 2

PLCPC

PROFIBUS

Topologia lógica TOKEN RING entre os dispositivos mestres

Dispositivos EscravosTopologia mestre-escravo

entre os mestres e os escravos

1. A eficiência do Profibus é garantida pelos serviços existentes na camada de enlace do protocolo. Estes serviços são implementados pelo “Fieldbus Data Link (FDL)” tendo como objetivos:

• Controlar o acesso ao meio;• Estruturar as mensagens (telegramas);• Verificar a integridade dos dados;• Disponibilizar os serviços de comunicação SDA (enviar dados

com reconhecimento), SDN (enviar dados sem reconhecimento), SRD (enviar e solicitar dados com resposta) e CSRD (enviar e solicitar dados ciclicamente com resposta);

• Ajuste de parâmetros operacionais;• Informe de eventos.

2. O controle de acesso ao meio é efetuado com uma mistura de Token Ring entre os mestres e Mestre-escravo (poll) entre os mestres e os escravos.

3. É possivel a presença de mais de um mestre na rede. Eles tem o direito a se comunicar com os escravos quando estiverem com a posse da permissão (Token).

4. Os mestres são configurados em classes. O mestre classe 1 tem permissão para ler e escrever dados nos dispositivos de campo, sendo geralmente um CLP. Sua presença é obrigatória e o seu ciclo de varredura é a base do sistema de automação.

5. Os mestres classe 2 são dispositivos de configuração. Eles são implementados durante o comissionamento da planta ou ainda para uma manutenção ou diagnóstico da rede, sendo usado para configuração dos dispositivos escravos. Eles podem ler os estados dos dispositivos escravos, mas não podem determinar as suas saídas. Não é necessária a sua conexão permanente na rede.

6. Os escravos são dispositivos periféricos que lêem informações doprocesso ou usam informação de saída para intervirem no processo. São dispositivos passivos , somente respondem as consultas efetuadas pelos mestres.

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Versões do Profibus DP

Profibus DP-V0Controle de acesso ao meio

TOKEN RING entre os mestres (classes 1 e 2 ).MESTRE-ESCRAVO entre os mestres e os escravos.Mestre único ou multi-mestre (Não escreve). Até 126 estações em um barramento.

Comunicação ponto a ponto ou multicast.Estados de operação

Operate (Ler entradas e Escrever saídas)Clear (Ler entradas, saídas em condição segura)Stop (Diagnósticos e ajuste de parâmetros)

1. O protocolo Profibus DP é encontrado em três versões, V0, V1 e V2. Cada nova versão adicionou novas opções e funcionalidades ao protocolo.,

2. A troca de informações é normalmente ponto a ponto, mas é possível enviar comandos a todos os dispositivos simultaneamente ou a um grupo de dispositivos (multicast).

3. No Profibus DP-V0 o mestre pode estar em três estados de operação: Operate, Clear e Stop. O estado pode ser controlado localmente ou pelo dispositivo de configuração (mestre classe 2).

4. A comunicação entre um mestre e seus escravos tem quatro funções principais:

• Escrever as saídas dos escravos (Até 244 bytes por escravo).• Ler as entradas dos escravos (Até 244 bytes por escravo).• Escrever os parâmetros de configuração nos escravos. Por

exemplo, definir se uma entrada analógica é 4-20mA ou 0-10V.• Ler os diagnósticos dos escravos, por exemplo falha em uma

entrada analógica por corrente igual a 0mA.5. O mestre, ciclicamente, manda uma mensagem para cada escravo. Na

mensagem de resposta, o escravo devolve as entradas lidas de seus módulos de entrada.

6. Os parâmetros são escritos na energização do sistema, ou após uma falha de comunicação.

7. Os diagnósticos são lidos por exceção, isto é, quando um escravo tem diagnósticos para informar ao mestre, ele liga um bit na sua resposta cíclica. Isto faz com que o mestre execute uma leitura de diagnóstico na próxima oportunidade.

8. Quando um escravo fica sem receber requisições de seu mestre por um tempo superior ao tempo de “watchdog”, o mesmo vai para o estado “CLEAR”.

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Versões do Profibus DP

Profibus DP-V1Inclui a capacidade de transmissão de dados esporádicas (acíclicas).Permite a parametrização e calibração de dispositivos com a redeem funcionamento.

Profibus DP-V2Permite a comunicação entre escravos usando mensagens de “broadcast” sem a participação do mestre.Reduz tempo de resposta na rede em até 90%. Escravo

Publisher

EscravoPublisher

EscravoSubscriber

EscravoSubscriber

EscravoSubscriber

EscravoSubscriber

Mestre

Profibus-DP

Mestre

Profibus-DP

Dados de entrada via broadcast

1. A versão DP-V1 trouxe a capacidade de troca de dados não cíclicos. Os mestres aproveitam os intervalos de tempo entre as varreduras para solicitar dados ou enviar configurações a um determinado escravo.

2. Isto permitiu efetuar mudanças na configuração com o sistema em operação e não somente após a energização do mesmo.

3. A versão DP-V2 habilitou os escravos a enviarem dados sem a intervenção do mestre, seguindo a filosofia de troca de dados produtor-consumidor.

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Topologia do Profibus PA

T

Barramento

Estrela

Terminador

Spur

PROFIBUS DP

24 V

PA Link

PAAcoplador

MestreRepet.

1. O Profibus PA é um dos dois principais barramentos de processodisponíveis no mercado, concorrendo diretamente com o FoundationFieldbus.

2. O mestre é o mesmo usado por uma rede Profibus DP conectado através de dois tipos de interface.

• A interface PA-LINK é um escravo da rede Profibus DP e mestre da rede Profibus PA, possuindo dois endereços, um em cada rede. Isto permite o uso completo do endereçamento possível na rede PA.

• A interface PA-Acoplador é transparente, não possuindo endereçamento. Neste caso os endereços já usados na rede DP não podem ser usados na rede PA, reduzindo o número de endereços disponíveis.

3. As interfaces sempre são responsáveis por adequar os níveis elétricos dos sinal elétricos e as taxas de velocidade, nem sempre iguais entre as redes, além de alimentar eletricamente os dispositivos da rede PA.

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Características do Profibus PA

Substitui a comunicação 4-20mA em dispositivos de automação de processo.Baseado no protocolo DP-V1 com MBP a 31,25 kbps.Dados e alimentação no mesmo cabo.Pode compartilhar o mesmo Mestre classe 1 do Profibus DP.Adequado para áreas classificadas.Topologia em barra ou estrela.Até 31 dispositivos PA por link.Máximo de 1900m por segmento.Interface com Profibus DP por PA-LINK ou PA-ACOPLADOR

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Configuração de Redes com Profibus PA

Banco de dados de dispositivos (GSD)

Informa ao mestre que parâmetros e qual o formato dos dados dos dispositivos.

Fabricante e seu número de identificação.Taxa de transmissão e parâmetros de rede.Número e formato dos dados a serem trocados com o mestre.

O GSD deve ser carregado no mestre via um software de configuração.

Perfis de dispositivosOs parâmetros podem ser divididos em:Valores de processo

Sinais descritos no GSD acessados pelos mestres.

Parâmetros de operação (padrão)

Acessados esporadicamente pelos mestres.

Parâmetros específicosAcessados somente por um mestre classe 2.

1. Todo Mestre ou Escravo Profibus possui um arquivo texto em um formato padrão (GSD), definido pela organização Profibus, que contêm todos os dados do dispositivo como fabricante, versão de hardware, taxas de transmissão, número e tipo de sinais de entrada e saída, diagnósticos disponíveis e etc.

2. O passo inicial de configuração de uma rede faz uso destes arquivos GSD (General Slave Data)

3. O Profibus PA padronizou os perfis de dispositivos onde são especificados os dados disponíveis para comunicação, qual o tipo de comunicação a ser usado (cíclico ou acíclico) e quem pode acessa-lo, o mestre classe 1 ou 2.

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Perfil de um Transmissor de Pressão

Faixa de medição

Serviço DPciclicoeaciclico

Serviço DPaciclico P

erfi

lB

Estado do dispositivo

Valor medido

Parâmetros específicosdo fabricante

Constante do Filtro

Limites de alarmes

Resumo dos alarmes

TAG

Serviço DPaciclico

1. A figura mostra um perfil de um transmissor de pressão.

2. São mostrados os dados que podem ser acessados ciclicamente e aqueles que somente podem ser acessados aciclamente.

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Dispositivos para Redes Profibus PA

Modelados em BlocosBloco Físico (PB)

Fabricante, nome, numero de série.

Bloco Transdutor (TB)Processa o sinal não condicionado do sensor.

Bloco Função (FB)Bloco entrada analógica (AI).Bloco saída analógica (AO).Bloco entrada digital (DI).Bloco saída digital (DO).

1. Uma rede Profibus PA pode assumir parcialmente as funções de controle do processo.

2. Cada dispositivo da rede apresenta blocos com objetivos definidos. Alguns dispositivos como transmissores ou válvulas de controle podem ter blocos de controle.

3. O projeto da rede consiste em interligar os blocos dos diversos dispositivos da rede determinando qual o caminho a ser percorrido pela informação.

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Blocos do Transmissor de Pressão LD 303

Bloco FísicoContêm os dados relativos a identificação do dispositivo, informação do hardware e firmware do dispositivo e informações de diagnóstico.

Bloco TransdutorMede e calcula a pressão ou vazão em unidades de engenharia, efetua a calibração e eventuais correções devido a temperatura.

Bloco DisplayControla o que vai ser visualizado no display local do instrumento.

Bloco Entrada AnalógicaEscalona a informação do bloco transdutor, efetua linearização, filtragem e um mecanismo de segurança na falha.

Bloco TotalizadorIntegra a variável medida em função do tempo. Por exemplo calcular o volume a partir de uma vazão.

1. LD 303 é o modelo de transmissor de pressão da SMAR com interface de comunicação Profibus.

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ProfiNet

Não é Profibus encapsulado em TCP/IP.Interface abstrata Orientada a Objetos

Comunicação entre objetos da redeDescrição dos objetos usando XML

Uso de padrões internacionaisEthernet TCP/IPXMLMicrosoft COM/DCOMIEEE 61131-3 FBD

Interface com Profibus via Proxy

1. Diferente do Modbus/TCP e Ethernet/IP o Profinet não é um simples encapsulamento de um protocolo existente (Modbus e ControlNet) usando Ethernet/TCP-IP.

2. A idéia básica do ProfiNet é a aplicação do modelo de programação orientada a objetos já experimentada e testada no mundo do software na tecnologia de automação.

3. Com este objetivo máquinas, plantas e suas partes são divididas em módulos tecnológicos encapsulados em componentes ProfiNet com uma estrutura de dados baseada no XML (eXtensible MarkupLanguage).

• Pode-se identificar o dispositivo com TAG FT101 como um objeto da classe Transmissor de Vazão que tem definidos os atributos PV (variável de processo), HL (limite alto), AStat(estado de alarme), etc. Para usar o valor da vazão na rede, eledever ser identificado com FT101.PV.

4. Para a implementação deste modelo é usado o Microsoft ObjectModel (COM) e sua expansão para sistemas distribuídos (DCOM).

• DCOM pode ser classificado como um protocolo de rede de alto nível sendo usado em aplicações de pequena e grande escala tornando possível invocar chamadas de métodos em programas orientados a objeto rodando em dispositivos remotos.

5. O escopo do Profinet é ser usado em todas as operações onde o Profibus é utilizado hoje, contanto que o ambiente físico seja adequado.Para estas exceções é previsto um software chamado de proxy para ser executado nos controladores de outros barramentos com o objetivo de tornar os dados do sistema de controle transparentemente disponíveis na Profinet.

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